Transferts Et Echangeurs Thermiques

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COURS DE TRANSFERT THERMIQUEmode de transfert de chaleur et principe d'un changeur Il y a trois principaux modes de transferts de chaleur: Conduction: le flux de chaleur traverse le corps A, l'interface A B, et le corps B. Le flux est proportionnel la conductivit thermique du matriau. Convection: le flux de chaleur est transport par la matire en dplacement. Ses mouvements sont dits de convection naturelle sous l'influence de variations de densit et du champ de pesanteur, ou de convection force si le fluide est mis en circulation par une pompe ou une diffrence de pression. Rayonnement: le flux de chaleur est transport sans transport de matire, sous forme d'ondes lectromagntique (ex: rayonnement solaire).

(Pour les lois du transfert thermique, se rfrer un cours plus complet) Principe d'un changeur de chaleur: on cherche en gnral transfrer un flux de chaleur entre un fluide chaud et un fluide froid, spars par une paroi qui peut tre plane ou tubulaire. La chaleur est transfre par conduction et/ou convection au sein de chaque fluide, et par conduction au sein du matriau qui les spare. Il peut galement y avoir transfert par rayonnement si le niveau des tempratures dpasse 100C. Dans l'changeur, chacun des fluides s'chauffe, se refroidit, ou change d'tat selon ses

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caractristiques et les conditions opratoires. Le flux de chaleur rsultant, cd par le fluide chaud et reu par le fluide froid est proportionnel : un coefficient d'change thermique "global" not K (ou U), fonction des conditions d'coulement, des conductivits thermiques de chaque fluide, des viscosits, du changement d'tat, etc... un cart de temprature (en gnral une moyenne logarithmique des carts de temprature entre les deux fluides chaque extrmit de l'changeur, cf page suiv.), la surface d'change thermique utilise. = K S ml, avec K coefficient global en kJ.h-1.m-2.C-1 et en kJ.h-1.

Circulation co-courant: les fluides 1 (froid) et 2 (chaud) entrent d'un mme ct de l'appareil, circulent en parallle, et sortent l'autre extrmit. L'cart de temprature l'extrmit gauche (ici entre) est Te2-Te1 L'cart de temprature l'extrmit droite (ici sortie) est Ts2-Ts1 L'cart de temprature moyen dans l'appareil est la moyenne logarithmique des cart de temprature chaque extrmit, soit ml=[(Te2-Te1)-(Ts2-Ts1)] / ln [(Te2Te1)/(Ts2-Ts1)] Circulation contre-courant: les fluides 1 et 2 entrent des cts opposs de l'appareil et circulent en sens contraire. L'cart de temprature l'extrmit gauche (sortie chaude, entre froide) est Ts2-Te1 L'cart de temprature l'extrmit droite (entre chaude, sortie froide) est Te2-Ts1 L'cart de temprature moyen dans l'appareil est la moyenne logarithmique des cart de temprature chaque extrmit, soit ml=[(Te2-Ts1)-(Ts2-Te1)] / ln [(Te2Ts1)/(Ts2-Te1)]

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Circulation deux passes (ct tube): un des fluides (ici le fluide 1) entre et sort la mme extrmit de l'appareil, en faisant demi-tour l'autre extrmit. Une partie du trajet du fluide est donc co-courant, l'autre tant contrecourant. Dans ce cas, la moyenne logarithmique doit tre calcule comme lors du montage contrecourant, et corrige d'un facteur Y compris entre 0.6 et 1 fourni par des abaques (voir un cours d'change thermique pour plus de dtails), soit: = K S Y ml, avec ml=[(Te2-Ts1)-(Ts2-Te1)] / ln [(Te2Ts1)/(Ts2-Te1)] D'autres montages existent avec par exemple des circulations ct tube 4, 6 voire 8 passes, et/ou plusieurs passes ct calandre. L'objectif est en gnral d'augmenter les vitesses de circulation (vitesse double chaque doublement du nombre de passe) afin d'obtenir de bons coefficients d'changes pour chaque fluide.

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Cours d'changeur thermique: calculs de flux changs, cds, reus Dans un changeur de chaleur, on cherche en gnral transfrer un flux de chaleur chang (en kJ.h-1) entre un fluide chaud et un fluide froid spars par une paroi qui peut tre plane ou tubulaire. Dans tous les cas, le moteur du transfert de chaleur est l'cart de temprature entre fluide chaud et fluide froid, not . Ce flux transfr est galement proportionnel au coefficient global d'change thermique K (ou U, en kJ.h-1.m-2.C-1), et la surface d'change S (en m2), soit la formule suivante:

chang = K S

Selon le montage, l'cart de temprature peut tre: constant tout au long de l'changeur (condensation d'un ct et bullition de l'autre, ...) variable tout au long de l'changeur (chauffement du fluide d'un ct, refroidissement de l'autre) Lorsque la diffrence de temprature est variable et que l'changeur fonctionne co-courant ou contre-courant pur, on dmontre que l'cart moyen de temprature prendre en compte est la moyenne logarithmique des carts de temprature chaque extrmit, not ml, soit:

chang = K S ml

Dans les autres cas (cart de temprature constant, moyenne logarithmique non dfinie), on prendra l'cart de temprature entre fluide chaud et froid le plus raliste. Remarque: le coeficient d'change se rapporte une surface d'change de rfrence, qui peut tre la surface interne des tubes, la surface externe des tubes, ou la moyenne logarithmique des surfaces d'change. La surface de rfrence doit tre prcise avec la valeur du coefficient d'change (Ki, Ke, ou Kml par ex)

Diffrents exemples de montages sont prsents ci-aprs, avec calcul de l'cart de temprature prendre en compte dans la formule de calcul du flux chang au travers de la paroi de sparation entre fluide chaud et fluide froid. Circulation contre-courant Circulation co-courant

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Circulation co-courant: les fluides 1 Circulation contre-courant: les fluides 1 et (froid) et 2 (chaud) entrent d'un mme ct de 2 entrent des cts opposs de l'appareil et l'appareil, circulent en parallle, et sortent circulent en sens contraire. l'autre extrmit.

L'cart de temprature l'extrmit gauche (sortie chaude, entre froide) est Ts2-Te1 L'cart de temprature l'extrmit droite (entre chaude, sortie froide) est Te2-Ts1 L'cart de temprature moyen dans l'appareil est la moyenne logarithmique des carts de temprature chaque extrmit, soit

L'cart de temprature l'extrmit gauche (ici entre) est Te2-Te1 L'cart de temprature l'extrmit droite (ici sortie) est Ts2-Ts1 L'cart de temprature moyen dans l'appareil est la moyenne logarithmique des carts de temprature chaque extrmit, soit

ml=[(Te2-Ts1)-(Ts2-Te1)] / ln [(Te2Ts1)/(Ts2-Te1)]

ml=[(Te2-Te1)-(Ts2-Ts1)] / ln [(Te2Te1)/(Ts2-Ts1)]

Circulation 2 passes ct tubes

Circulation 2 passes ct tubes

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chang = K S Y ml Circulation deux passes (ct tube): un des fluides (ici le fluide 1) entre et sort la mme extrmit de l'appareil, en faisant demitour l'autre extrmit. Une partie du trajet du fluide est donc contre-courant, l'autre tant co-courant.

chang = K S Y ml Circulation deux passes (ct tube): un des fluides (ici le fluide 1) entre et sort la mme extrmit de l'appareil, en faisant demi-tour l'autre extrmit. Une partie du trajet du fluides est donc co-courant, l'autre tant contre-courant.

Dans ce cas, la moyenne logarithmique doit tre calcule comme lors du montage contre-courant, et corrige d'un facteur Y compris entre 0.6 et 1 fourni par des abaques (voir un cours d'change thermique pour plus de dtails), soit:

Dans ce cas, la moyenne logarithmique doit tre calcule comme lors du montage contre-courant, et corrige d'un facteur Y compris entre 0.6 et 1 fourni par des abaques (voir un cours d'change thermique pour plus de dtails), soit:

chang = K S Y ml,

chang = K S Y ml,

ml=[(Te2-Ts1)-(Ts2-Te1)] / ln [(Te2Ts1)/(Ts2-Te1)]

ml=[(Te2-Ts1)-(Ts2-Te1)] / ln [(Te2Ts1)/(Ts2-Te1)]

D'autres montages existent avec par exemple

D'autres montages existent avec par exemple

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des circulations ct tube 4, 6 voire 8 passes, et/ou plusieurs passes ct calandre. L'objectif est en gnral d'augmenter les vitesses de circulation (vitesse double chaque doublement du nombre de passe) afin d'obtenir de bon coefficients d'changes pour chaque fluide.

des circulations ct tube 4, 6 voire 8 passes, et/ou plusieurs passes ct calandre. L'objectif est en gnral d'augmenter les vitesses de circulation (vitesse double chaque doublement du nombre de passe) afin d'obtenir de bon coefficients d'changes pour chaque fluide.

Condensation de vapeurs surchauffes ct calandre avec sous-refroidissement des condensts par de l'eau de refroidissement ct tubes

Condensation de vapeurs saturantes ct calandre sans sous-refroidissement des condensts par de l'eau de refroidissement ct tubes

Dans ce cas, il n'y a pas de formule simple pour l'cart de temprature moyen car il faut calculer l'change thermique pour la zone de refroidissement de vapeur, pour la zone de condensation et pour la zone de sousrefroidissement de faon distincte (en gnral

chang = K S ml, 2,cd = D2 [cp2,gaz (Tc2-Te2)+Lc2+cp2,liq

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par rsolution numrique). En considrant que les flux de refroidissement (vapeur et liquide) sont trs infrieurs au flux de condensation, l'essentiel du flux est transfr Tc2 ct chaud. Rq: ne pas prendre Te2-Te1 d'un ct et Ts2Ts1 de l'autre dans ce cas! chang = K S ml, 2,cd = D2 [cp2,gaz (Tc2-Te2)+Lc2+cp2,liq (Ts2-Tc2)] 0 chang = 1,reu et |2,cd| = 1,reu + pertes (ct calandre)

(Ts2-Tc2)] 0 chang = 1,reu et |2,cd| = 1,reu + pertes (ct calandre)

Refroidissement Racteur Agit Continu (RAC) par double-enveloppe

Refroidissement Racteur Agit Continu (RAC) par serpentin interne

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Dans le cas d'un RAC, la temprature (ici chaude) dans le racteur est considre comme constante et gale la temprature de sortie Ts2. Les pertes (ou gains) thermiques sont ici ct double-enveloppe: chang = |2,cd| et |2,cd| = 1,reu + pertes Chauffage RAC la vapeur par doubleenveloppe

Dans le cas d'un RAC, la temprature (ici chaude) dans le racteur est considre comme constante et gale la temprature de sortie Ts2. Les pertes thermiques sont ici ct racteur: chang = 1,reu et |2,cd| = 1,reu + pertes

Chauffage RAC la vapeur par serpentin

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Dans le cas d'un RAC, la temprature (ici froide) dans le racteur est considre comme constante et gale la temprature de sortie Ts1. Les pertes thermiques sont ici ct doubleenveloppe: chang = 1,reu et |2,cd| = 1,reu + pertes

Dans le cas d'un RAC, la temprature (ici froide) dans le racteur est considre comme constante et gale la temprature de sortie Ts1. Les pertes (ou gains) thermiques sont ici ct racteur: chang = |2,cd| et |2,cd| = 1,reu + pertes

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Echangeurs thermiques: changeurs multitubulaires

Eclat d'un changeur multitubulai re: 1 passe ct calandre, 2 passes ct tubes (faisceau en U) (Doc. Spirax)

Eclat d'un changeur multitubulai re: 1 passe ct calandre, 4 passes ct tubes (faisceau en U) (Doc. Spirax)

Coupe d'un changeur multitubulai re:

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Echangeur multi-tubulaire avec calandre en verre (appareil pdagogique) 2 passes ct tube (on distingue les deux piquages entre/sortie gauche)

Coupe d'un vaporiseur avec maintient de niveau par chicane

Faisceau de tubes en U sans sa calandre (peut tre raccord directement sur un appareil)

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2 passes ct tubes, 1 passe ct calcandre

2 passes ct tubes, 2 passes ct calandre

Vaporiseur (vapeur de chauffe ct tubes) Noter les piquages pour raccordement des niveaux glace.

(Doc. Struthers) Faisceaux de tubes en assemblage

Soudure de tubes sur plaque tubulaire

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(Doc Schott) Faisceau tubulaire vertical Calandre en verre sans chicanes

(Doc. Carbone-Lorraine) Extraction du faisceau de sa calandre

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Echangeurs thermiques: changeur multitubulaires

Echangeur inox 17m2 droite, vue du faisceau

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Echangeur tubes inox calandre acier Surface : 16 M2 Tube inox : diam. 50 Corps diam 700 Longueur 2200 Calandre : acier

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Echangeur inox 27 m2, diam faisceau env 800, Longueur 1170 + ttes, 210 tubes de 35

Cours d'changeur thermique: chicanes ct calandre Ct calandre d'un changeur multi-tubulaire, le volume important entraine parfois des vitesses de circulation faibles, prjudiciable au coeficient d'change entre autres. On a alors recours des chicanes permettant d'augmenter la longueur du parcours entre l'entre et la sortie ct calandre. Diffrents montages de chicanage sont prsents ci-dessous.

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Chicanage horizontal

Chicanage vertical

Chicanage par disques et couronnes

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Disque / Couronne

Chicanage annulaire

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Cours d'echange thermique, changeur thermique Echangeurs thermiques: changeur plaques

Echangeur plaques avec pieds support

Joints d'changeur plaques positionns en alternance et assurant la distribution de chaque fluide une plaque sur deux

Coupes d'un echangeur plaques Echangeur plaque Vicarb

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(Doc ASET)

Echangeur plaque dans une brasserie

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Echangeur plaque SCHMIDT, modle Sigma 37H fluide 1 : 44.5 litres, 6 bar, 50C fluide 2 : 45.5 litres, 6 bar, 50C Longueur : +/- 1000 mm Largeur : +/450 mm Hauteur : +/1600 mm Anne : 1989

Echangeurs thermiques: changeur spirals

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Echangeur spiral

Diffrents modes de circulation sont possibles dans les changeurs spirals (bien souvent courants croiss)

Cours d'changeur thermique: changeurs coaxiaux, changeur coaxial

Echangeur coaxial (ou double tube)

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Echangeur coaxial (ou double tube)

Tube corrugu: la surface, non lisse, permet d'accrotre la turbulence donc le coefficient d'change.

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Echangeurs coaxiaux utiliss en vinification

Echangeurs thermiques: serpentins

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Serpentin plan Serpentin de cuve

Serpentins externes souds (chauffage la vapeur par ex)

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(doc. De Dietrich) Racteur avec serpentin externe soud (Doc. ECI)

Echangeurs thermiques: polybloc ou blocs cylindriques Le traitement haute temprature et dans des conditions particulires, d'un mlange tudi de poudre de carbone et d'agglomrant conduit l'lectro-graphite. Ce matriau est poreux par suite de son mode de fabrication. Son imprgnation par des rsines soigneusement slectionnes le rend tanche et utilisable par l'industrie. Ce marriau est appel Graphilor. Ses qualits essentielles sont: conductivit thermique leve (100 kcal.h-1.m-2.C-1 contre 40 pour l'acier 1% de C et 175 pour l'aluminium) rsistance exceptionnelle la corrosion (sauf oxydants fort, acide nitrique pur, acide chromique, acide sulfurique concentr, olums...) Echangeurs blocs cylindriques (doc. Carbone-Lorraine) Ils sont constitus par un empilement de blocs cylindriques en Graphilor percs de deux systmes de canaux orthogonaux dans lesquels circulent les deux fluides d'change. L'ide rvolutionnaire qui a prsid leur ralisation est la prsence, sur le trajet des fluides, d'une succession de coupures (chicanes et chambres de turbulence) judicieusement disposes, de manire maintenir les fluides en rgime d'coulement extrmement turbulent. Le coefficient d'change thermique dpasse 2.000 kcal.h-1.m-2.C-1 dans le cas d'un chauffage par la vapeur, et peut atteindre cette valeur dans le cas d'un refroidissement par de l'eau. Les blocs en Graphilor sont particulirement robustes et peuvent tre utiliss jusqu' une pression de 16 kg.cm-2. Le dmontage, le nettoyage et l'entretien des changeurs sont faciles. La protection de l'changeur par une enveloppe mtallique le met l'abri des chocs extrieurs. Les divers types de blocs permettent de constituer des changeurs de chaleur dont la surface d'change varie de 0,2 m2 242 m2, avec une section de passage variant de 25 cm2 1200

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cm2.

(Doc. Carbone-Lorraine) (Doc. Carbone-Lorraine)

Echangeurs srie K en Graphilor (doc. Carbone-Lorraine) Ces changeurs comportent tous un bloc parallbipdique en graphite imprgn (Graphilor) maintenu en compression par deux plaques d'assemblage serres par des tirants et prenant appui sur les faces suprieure et infrieure du bloc. Le bloc est perc horizontalement de deux sries perpendiculaires de canaux rservs aux deux fluides d'change. Les quatre collecteurs, correspondant deux deux chacun de ces fluides, couvrent le bloc sur ses quatre autres faces. Ils sont en Graphilor et comportent des tubulures

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galement en Graphilor chemises extrieurement par des tubes brides en acier, souds sur les contre-plaques, pour l'entre et la sortie des fluides d'change.

(Doc. Carbone-Lorraine)

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Cours d'changeur thermique: arorfrigrants

Arorfrigrant

Arorfrigrant avec vue sur la ligne d'alimentation et bouchons de tubes

Batterie d'arorfrigrants dans leur environnement

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Batterie d'aero-rfrigrant (site de Gonfreville) Batterie d'arorfrigrants dans leur environnement

Batterie d'arorfrigrants (Doc CIAT)

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Tour Baltimore rfrigrante type VXI-105-1, dbit eau 100 m3.h-1, pompe 4 kW, dbit d'air 34 m3.h-1, moteur ventilateur 22 kW

Cours changeur thermique: condenseurs mlange Dans certains cas, on condense les vapeurs par contact direct avec le moyen de refroidissement (ex: condensation de vapeur d'eau avant rejet l'gout). Les schmas suivants reprsentent quelques exemples de condenseurs mlange, pression atmosphrique ou sous vide.

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Cours changeurs thermiques: changeurs divers, rchauffeurs lectriques

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Rchauffeur d'air lectrique Rchauffeur lectrique (Doc ASET)

Thermoplongeur ATEX immergeable rsistances lectriques blindes interchangeables Echangeur Batterie (Doc ASET)

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